مواد هوازای بتن

ایجاد دوام بهتر در مورد پدیده یخ‌زدن- ذوب‌شدن از طریق مواد هوازا، شامل فراهم نمودن میزان کافی از هوای محبوس برای یک تهدید مشخص به همراه توزیع مطلوب حباب‌های هوا است. این کار نه تنها میلیون ها شیر اطمینان در هر متر مکعب بتن فراهم می نماید، بلکه به عنوان یک اثر جانبی مطلوب، ممکن است شرایط لایه های سطحی دال و روسازی را نیز بهبود بخشد. مواد افزودنی هوازا، کارآیی و پیوستگی مخلوط ها را نیز افزایش می دهند. این امر موجب کاهش آب‌انداختگی و شیره‌زدگی می‌شود و در نتیجه مقاومت و استحکام لایه‌های سطحی را افزایش می‌دهد.

در یک وضعیت بخصوص مقدار هوای مورد نیاز، به حجم آب یخ زده ای که قرار است جایدهی شود، بستگی داشته و این مقدار تابعی است از شرایط محیطی. مقدار هوای متوسط هدف در گذشته به عنوان یکی از مشخصات مورد استفاده قرار می‌گرفت. توصیه استانداردهای قبلی (مثلا استاندارد انگلستان BS5328) براساس مقدار هوای متوسط مورد نیاز استوار بوده که عبارت است از تقریبا ۹ درصد حجم خمیر سیمان، معادل ۵/۵ درصد حجم بتن در مورد بتن با حداکثر اندازه سنگدانه mm20، با افزایش تا حد ۵/۷ درصد برای سنگدانه با اندازه mm10 و ۵/۴ درصد برای سنگدانه با اندازه mm40. اروپا اخیرا حرکتی را به سوی استانداردسازی مشخصات مربوط به حداقل مقدار هوا، آغاز نموده است.

مقدار متوسط هوای محبوس عموما در حد ۴ تا ۶ درصد می باشد، اما این مقدار به میزان قرارگیری در معرض شرایط محیطی بستگی دارد. حد بالای مقدار هوا به صورت مقدار حداقل به علاوه ۴ درصد تعیین می‌گردد.

یک عنصر کلیدی در محبوس نمودن هوا، عامل فواصل می‌باشد. مقاومت در برابر جریان متناسب است با مسیر جریان و بنابراین طول مسیر تا یک حباب هوا باید به اندازه کافی کوتاه باشد تا فشار هیدرولیکی را مستهلک نماید. فشار اسمزی نیز در صورتی که طول مسیر به اندازه کافی کوتاه باشد، مستهلک می‌گردد. این مفهوم در شکل ۸-۶ نشان داده شده است که پارامترهای مدلسازی پاورز را که بعدا توسط فاگرلاند توسعه یافتند، نشان می‌دهد. می توان دید که هر حباب هوا با شعاع rb، از یک ناحیه کروی اطراف خود با ضخامت دیواره Lcr حفاظت می‌نماید. فاصله بحرانی دو برابر این مقدار است. پاورز توجه نمود که فاصله بحرانی با مقاومت کششی و نفوذپذیری نسبت مستقیم داشته و با درجه اشباع و سرعت یخ‌زدن نسبت معکوس دارد.

ایجاد تعداد زیادی از حفرات کوچک هوا، یک راهکار کنترلی موثر در محیط‌های یخ‌زدن- ذوب شدن است، در حالی که یک حجم معادل هوا به صورت تعداد کمی از حفرات بزرگ، چندان موثر نمی‌باشد. این امر نشان دهنده اهمیت عامل فواصل‌ست، اما این موضوع همچنین نشان می دهد که شعاع rb نیز مهم می‌باشد. این موضوع به بهترین صورت توسط سطح مخصوص توصیف می‌گردد. سطح مخصوص عبارت است از نسبت مساحت سطح به حجم. هرچه سطح مخصوص بیشتر باشد، حباب های هوا کوچک‌تر می‌باشند. حباب های هوای محبوس عموما دارای قطر mµ۵۰ بوده و سطح مخصوص آنها در حد m-1µ۲۵ می‌باشد.

محبوس نمودن هوا منجر به افت مقاومت بتن می‌گردد. معمولا افت مقاومت مستقیم در حدود ۵/۵% به ازای درصد هوای محبوس می‌باشد، هر چند این اثر تا حدی می‌تواند با بهبود کارآیی (کاهش مقدار آب) در بتن دارای هوای محبوس، جبران شود. این عوامل باید توسط طراحان هنگام تعیین مشخصات مربوط به الزامات درصد هوا و در عین حال حداقل مقاومت ویژه برای اهداف سازه ای، مورد توجه قرار گیرند. مخلوط‌های غنی‌تر نیازمند مواد هوازای بیشتری نسبت به مخلوط های ضعیف تر می‌باشند. یک مقدار بهینه هنگامی قابل تعیین می‌باشد که بهبود دوام بدون افت ظرفیت سازه ای مورد نیاز، مورد توجه قرار گیرد.

مناسب بودن یک افزودنی هوازای بخصوص برای مواد سیمانی باید توسط تولید کننده و طراح مورد توجه قرار گیرد. اغلب افزودنی ها در زمانی توسعه یافتند که بتن‌های نوع CEM I معمول بودند. تحقیقات بیشتری راجع به اندرکنش افزودنی های هوازا با مواد سیمانی مکمل مورد نیاز می‌باشد. افزودنی‌های مورد استفاده عموما برپایه چربی‌های حیوانی و گیاهی، مواد نفتی و رزین های طبیعی چوب قرار دارند. یک الزام کلیدی، مواد فعال سطحی است که حباب‌های هوای تشکیل‌شده حین اختلاط را تثبیت نموده و آنها را از طریق نیروهای دافعه به طور یکنواخت توزیع می‌نماید.
شواهدی از اندرکنش بین یک افزودنی هوازا و خاکستر بادی (pfa) وجود دارد. در تحقیق دهیر و همکاران مشخص شد که بتن های دارای خاکستر بادی با افزودنی های رزیی وینسول، عملکرد رضایت بخشی را در آزمایشات یخ‌زدن- ذوب‌شدن نشان دادند، اما مقدار افزودنی مورد نیاز نسبت به بتن های CEM I مشابه، بیشتر بود. مقدار افزودنی مورد نیاز، با یک ضریب ۲ برای مقدار هوای تا ۵/۴ درصد افزایش یافت و با مقدار هوای بیشتر، نیاز بیشتری به افزودنی مشاهده گردید. همچنین مقدار افزودنی مورد نیاز برای خاکسترهای با افت وزنی بالای ناشی از سرخ شدن، افزایش یافت.